一种页岩储层水平井分段压裂射孔簇参数优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及石油天然气开发技术领域。尤其设及一种页岩储层水平井分段压裂射 孔簇参数优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 页岩储层在我国储量增长、能源安全方面正发挥越来越重要的作用。页岩储层具 有渗透率低、强度高、储层分布不均匀等特点，水平井分段压裂增产改造技术是开发该类储 层、增加单井控制储量和产能的一项重要技术。常规水平井分段压裂采用单段射孔、单段压 裂方式，从减小缝间干扰方面出发，考虑尽可能增大射孔间距，形成多条垂直于井筒的横切 缝。
[0003] 目前在页岩储层开发中己经认识到由于基质向裂缝的供油气能力较差，仅靠单一 的压裂主缝很难取得预期的增产效果，往往需要特殊的压裂技术形成复杂裂缝，增加储层 基质向水力裂缝供油气能力，提高压裂增产效果。而近些年来开始推广应用的"缝网压裂" 和"体积改造"技术就是利用裂缝间的干扰，形成复杂的应力场，使裂缝在延伸过程中形成 分叉缝或者发生转向，沟通天然裂缝，增加裂缝复杂程度，W期获得更好的增产效果。
[0004] 针对"缝网压裂"和"体积改造"技术，国外首先开展了裂缝诱导应力场的研究。 Sneddon和Elliott较早的在理论上研究了裂缝周围应力场，推导出了在无限大弹性体中 裂缝周围的应力场计算公式。而对于扁平型裂缝（penny-shapedcrack)，Sneddon建立了 新的方程来描述它们对周围应力场的影响。L.D.Palmer分析了煤层气藏中初次压裂裂缝产 生的诱导应力，同时研究了裂缝形态和净压力对储层渗透率的影响。N.P.Roussel等研究了 水力压裂裂缝诱导应力和孔隙压力诱导应力对水平井重复压裂新缝起裂和延伸的影响。同 时，国内学者也对缝网压裂做过相关研究。化anganM.Du等人提出采用水力压裂技术在双孔 隙页岩气藏中形成人工缝网的方法，利用微地震技术记录"改造体积"并校正。雷群等人利 用储层水平主应力差与裂缝延伸净压力的关系，在远井地带也实现了复杂缝网，改善了油 气流动通道。但是地层因素、多裂缝及裂缝间距对水平井压裂结果有着重要影响，而国内外 现有研究均未考虑W上因素。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可W优化射孔簇间距，获得最 大裂缝改造体积，增加储层改造实际效果的页岩储层水平井分段压裂射孔簇参数优化设计 方法。
[0006] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：一种页岩储层水平井分段压裂射孔簇 参数优化设计方法，它包括W下步骤：
[0007] S1、使用储层岩石力学参数W及矿物组成参数来计算储层可压性指数，获取井段 可压性指数剖面，选出高可压性压裂井段；
[0008] S2、建立水力压裂裂缝扩展的数学模型，分析裂缝延伸的诱导应力场模型，并分析 裂缝转向机理；
[000引 S3、模拟不同射孔簇间距下，主裂缝的延伸情况，选出最优裂缝尺寸下的簇间距；
[0010] S4、分析不同射孔簇间距下，主裂缝周围应力场的变化情况，分析不同射孔簇间距 下压裂形成"缝网"的可行性，选出能够形成"缝网"的簇间距；并结合步骤S3中形成最优 裂缝尺寸的射孔簇间距范围，确定最优的射孔簇间距；
[0011] S5、利用交替压裂的应力干扰，形成更加复杂的裂缝，将中间射孔簇孔密设为 10-16孔/m、两侧射孔簇孔密为16孔/mW上。
[0012] 进一步地，所述步骤Sl包括W下子步骤：
[0013] S11、计算储层岩石的弹性参数脆性指数邸。和矿物含量脆性指数BB。，求弹性参数 脆性指数EE。和矿物含量脆性指数BB。的平均值，得到储层岩石的综合脆性指数B
[0014] S12、根据储层岩石的可压裂性评价模型：
[0015] Fra。=?Bht/((I-U)Sind)KicKiic) 妨
[0016] 结合测井数据，绘制储层岩石沿井眼轴线的可压裂性指数剖面，选出高可压裂性 区域进行压裂改造，高可压性指数区域是根据实际情况选择相对较高区域。其中Ff。。是可压 性指数，无量纲；Bt。,为综合脆性指数，无量纲；@是内摩擦角，单位为度；《为数值范围0~ 1的权重系数，无量纲；Kk是I型断裂初性，单位为MPa?mi/2;kII。是II型断裂初性，单位为 M化?mi/2。
[0017] 进一步地，所述步骤S2包括W下子步骤：
[0018] S21、建立水力压裂裂缝扩展的数学模型，根据所述步骤Sl选出的储层的地应力、 岩石力学特征、物性参数等数据和地质分层特征，采用有限元、离散元、边界元或位移不连 续等方法，考虑多条裂缝同时扩展的情形，建立页岩储层水平井分段压裂裂缝起裂与动态 扩展的渗流-应力-断裂损伤禪合数学模型；
[0019] S22、分析裂缝延伸的诱导应力场模型，原始地应力由最大水平主应力、最小水平 主应力和垂向应力组成，后续起裂裂缝周围的应力场由先起裂裂缝产生的诱导应力场与原 地应力场叠加组成，根据叠加原理，分段压裂产生的第n条裂缝周围的复合应力场模型为：
：(15)
[00川式中，O'HW、O'h(n)、O'v(n)为第n条裂缝周围的复合应力分量，单位为MPa;OH、Oh、O。分别为储层水平最大应力、水平最小应力和垂向应力，单位为MPa;V为泊松比，无 量纲；OWW、OWW和OWW分别为第i条裂缝对第n条裂缝产生的诱导应力X轴向、Y 轴向和Z轴向分量，单位均为MPa;
[0022] S23、分析转向机理，分段压裂产生的第n条裂缝发生转向的条件为：该条裂缝受 到的最小水平主应力方向的诱导应力与最大水平主应力方向的诱导应力之差大于或等于 原始最大、最小水平主应力之差，公式表示为： (I汾
[0024] 进一步地，所述步骤S3的具体过程是：
[0025] 根据所述步骤S2中所建立的多裂缝动态扩展数学模型，模拟不同射孔簇间距下， 主裂缝在缝长和缝高方向的延伸情况，并比较每簇裂缝最终形成的几何尺寸，W此判断诱 导应力对主裂缝延伸的影响程度，选出能使各主裂缝均匀向前扩展的最优簇间距。
[0026] 进一步地，所述步骤S4的具体过程是：
[0027] 根据所述步骤S2分析不同射孔簇间距下，主裂缝周围应力场的变化情况，判断相 邻两主裂缝之间及裂缝附近的水平主应力比O'Hw/O'hw，选出水平主应力比小于1. 3的 射孔簇间距，从而得到从应力干扰角度形成"缝网"所需的射孔簇间距；结合步骤S3中形成 最优裂缝尺寸的射孔簇间距范围，确定最优的射孔簇间距；
[0028] 进一步地，所述步骤S5的具体过程是：
[0029] 模拟同时压裂和交替压裂时，中间裂缝的应力干扰规律，掲示中间裂缝的应力转 向机理，利用交替压裂的应力干扰，W形成更加复杂的裂缝，将中间射孔簇孔密设为10-16 孔/m、两侧射孔簇孔密为16孔/mW上。
[0030] 本发明具有W下优点：
[0031] 1、选择高可压性压裂井段进行优化设计，确保最大化的压后缝网体积和压后页岩 气产量。页岩储层地质构造复杂，储层内部物性和非均质性差异大，储层可压裂性对压裂形 成裂缝网络体积有着重要影响，如何筛选出可压裂性高的储层，是体积压裂改造形成更多 复杂裂缝网络体积的前提。对于1千多米甚至接近2千米的长水平段，若压裂位置选择在 储层可压裂性较差的井段，即使采用大规模的体积压裂和最优化的射孔簇间距，也不能得 到预期的裂缝网络体积，致使压后产量较低，前期大规模的压裂成本投入难W收回。因此， 要优选出水平井分段压裂射孔簇间距，就必须首先确定长水平段内的高可压裂性井段，在 该井段内，再进行射孔簇间距优化。
[0032] 2、根据页岩储层水平井分段压裂的施工工艺特征，考虑多簇射孔形成的水力裂缝 的动态弹塑性损伤扩展，此优化设计方法可W模拟多簇裂缝同时扩展时相互影响的裂缝= 维几何形态；
[0033] 3、此优化设计方法中采用的渗流-应力-损伤禪合的有限元方法，可W实现多簇 裂缝扩展过程中的裂缝诱导应力场的相互干扰；
[0034] 4、此优化设计方法进一步利用了交替压裂时，中间